CN108803406A

CN108803406A - 用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制系统及方法

Info

Publication number: CN108803406A
Application number: CN201810310126.7A
Authority: CN
Inventors: 张承慧; 邱涵; 丁文龙; 段彬; 杨东江
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Qingdao Meikai Lin Polytron Technologies Inc; Shandong University
Priority date: 2018-04-04
Filing date: 2018-04-04
Publication date: 2018-11-13
Anticipated expiration: 2038-04-04
Also published as: CN108803406B

Abstract

本发明公开了一种用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制系统及方法，该系统包括上层处理器和下层处理器，上层处理器与数据处理系统通信连接，被配置为采集功率变换系统主拓扑结构的电压、电流值，传输给数据处理系统和下层处理器，接收数据处理系统下发的充放电流程，将充放电流程中规定的电压电流大小作为参考值，传输给下层处理器；下层处理器被配置为对接收到的电压电流采样值进行滤波，将滤波后的采样值与参考值做差比较，通过PI控制器产生相应的控制信号，采用调制算法对控制信号进行处理，产生调制信号，对调制信号进行处理产生驱动信号驱动功率变换系统主拓扑结构的开关管的开通与关断，实现功率变换系统主拓扑结构的正常稳定运行。

Description

用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制系统及方法

技术领域

本发明属于电力电子领域，尤其涉及一种用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制系统及方法。

背景技术

动力电池测试与模拟仪器可以通过对电池进行充放电，对电池的各项性能指标进行测试，目前已成为国内外学术界及工业界的研究热点。采用宽禁带半导体SiC器件使功率变换设备高频化、高功率密度、高系统效率的方法受到越来越多的重视。同时，数字控制系统离散化、计算量大等特点，对控制器芯片的主频、处理速度、片上资源以及可并行处理能力都提出了更高的要求，以目前常规的单核DSP为微处理器的控制系统难以提供最佳的处理速度和精度，给测试设备及其控制系统的设计带来困难。因此如何采用具有CPU和CLA的多核DSP处理器进行任务分层处理和控制以实现电池测试与模拟仪器各项功能，仍是待解决的技术问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制系统及方法，通过在数字芯片DSP的下层处理器CLA的任务中断中进行计算量较大的采样滤波、调制和控制等功能，而将充放电流程设计、逻辑保护、时间延时、通讯等对运算精度和速度要求不高的程序段置于CPU主程序以及A/D、定时器中断中运行，实现流程控制与功率变换控制的分离和相对独立运行，使整个测试控制系统的运行更加合理高效，易于高频化实现且充分利用DSP片上资源，极大地提高了控制速度和精度。

本发明所采用的技术方案是：

一种用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制系统，该系统包括：

上层处理器，与数据处理系统DPS通信连接，被配置为采集功率变换系统主拓扑结构的电压、电流值，传输给数据处理系统DPS和下层处理器，接收数据处理系统DPS下发的充放电流程，将充放电流程中规定的电压电流大小作为参考值，传输给下层处理器；

下层处理器，被配置为对接收到的电压电流采样值进行滤波，将滤波后的采样值与参考值做差比较，通过PI控制器产生相应的控制信号，采用调制算法对控制信号进行处理，产生调制信号，将调制信号与载波相比较，得到开通关断相互交替的驱动信号，通过驱动信号驱动功率变换系统主拓扑结构开关管的开通与关断，实现功率变换系统主拓扑结构的正常稳定运行。

进一步的，所述上层处理器还被配置为配置系统初始化参数和系统参数，对功率变换系统主拓扑结构产生的过压过流报警信号和相应的启停控制信号进行处理。

进一步的，所述上层处理器包括：

通信模块，被配置为与数据处理系统DPS通信连接；

A/D采样模块，被配置为采集功率变换系统主拓扑结构的电压、电流值，并传输给下层处理器；

参数配置模块，被配置为配置系统初始化参数和系统参数，其中，系统初始化参数包括定时器、A/D采样中断和PWM相关寄存器；系统参数包括充放电电压、电流、步时间和步切换条件。

逻辑保护模块，被配置为对功率变换系统主拓扑结构产生的过压过流报警信号和相应的启停控制信号进行处理。

进一步的，所述A/D采样模块包括A/D采样输入电路、SOC处理控制子模块和中断控制子模块，所述SOC处理控制子模块用于接收PWM调制模块产生的脉冲，产生一次A/D转换请求，并发送至A/D采样输入电路；所述A/D采样输入电路接收A/D转换请求，获取功率变换系统主拓扑结构的电压、电流值；所述中断控制子模块用于在A/D转换完成后，向下层处理器发送中断请求。

进一步的，所述A/D采样输入电路包括依次连接的采样器、A/D转换器和结果寄存器，通过采样器采集功率变换系统主拓扑结构的电压、电流信号，经过A/D转换器转换后，存储在结果寄存器中。

进一步的，所述上层处理器还包括PWM模块，所述PWM调制模块包括事件触发子模块，所述事件触发子模块被配置为在PWM载波的最小值点时产生触发脉冲，并发送至A/D采样模块。

进一步的，所述下层处理器包括：

滤波模块，被配置为采用均值滤波算法或滑动滤波算法对接收到的电压电流采样值进行滤波，并将滤波后的采样值传输给闭环控制模块；

闭环控制模块，被配置为将滤波后的采样值与参考值做差比较，通过PI控制器产生相应的控制信号，并传输给调制模块；

调制模块，被配置为采用空间矢量调制算法或移相调制算法对控制信号进行处理，产生调制信号并传输给驱动模块；

驱动模块，被配置为产生驱动信号驱动底层功率变换系统主拓扑结构开关管的开通与关断，实现功率变换拓扑的正常稳定运行。

进一步的，所述闭环控制模块和调制模块分别通过结构体和宏定义相结合的方式在下层处理器中顺序执行。

采用上述的用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制系统进行任务分层控制方法，该方法包括以下步骤：

采集功率变换系统主拓扑结构的电压、电流值，传输给数据处理系统DPS和下层处理器，接收数据处理系统DPS下发的充放电流程，将充放电流程中规定的电压电流大小作为参考值；

对电压、电流采样值进行滤波，将滤波后的采样值与参考值做差比较，通过PI控制器产生相应的控制信号，采用调制算法对控制信号进行处理，产生调制信号，将调制信号与载波相比较，得到开通关断相互交替的驱动信号，通过驱动信号驱动功率变换系统主拓扑结构开关管的开通与关断，实现功率变换系统主拓扑结构的正常稳定运行。

进一步的，还包括：对功率变换系统主拓扑结构产生的过压过流报警信号和相应的启停控制信号进行处理和配置系统初始化参数和系统参数，其中，系统初始化参数包括定时器、A/D采样中断和PWM相关寄存器；系统参数包括充放电电压、电流、步时间和步切换条件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提出的基于CPU和CLA的任务分层控制系统可以同时对动力电池测试与模拟仪器的功率变换系统的正常运行进行控制，以及对电池的充放电任务流程进行管理，共同实现动力电池测试与模拟功能的各项性能指标要求，实现数字控制芯片DSP片上资源的合理分配和充分利用，提高程序的执行效率和可扩展性；

(2)本发明中CLA处理器采用结构体与宏定义结合方式实现功率变换系统主拓扑结构的正常稳定运行，能够解决因CLA存储结构中没有堆栈导致的无法定义和调用函数问题，其较强的浮点运算能力使得闭环数字控制器的设计变得容易，且能提高仪器设备的指标精度和动态响应；

(3)本发明提出的CPU处理充放电测试功能控制任务，能够利用定时中断实现多种控制参数和策略的配置、切换，易于进行测试设备充放电功能的扩展。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明所提出的用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制系统结构图；

图2为单周期内CPU与CLA任务流程分配图；

图3为中断触发机制示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在单核DSP内存资源不足、同步性差、运行效率低的问题，难以同时进行涉及大数据量浮点运算的复杂调制算法和以逻辑处理为主的保护、通讯等功能性程序段，限制了动力电池测试设备的数字化应用和发展，因此，本申请提出了一种用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制系统及控制方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制系统，该系统包括CPU负责处理的测试控制层和CLA负责处理的拓扑运行层，该任务分层控制系统主要运行在型号为TMS320F28377D的32位双核架构DSP主芯片上，该芯片主频200MHz，且具有两个主频同样为200MHz的可编程协处理器CLA，可独立于主CPU之外并行处理代码，用来执行复杂的软件算法和浮点类运算。

如图1所示，所述CPU负责处理的测试控制层包括上层处理器CPU，主要负责测试功能的调度与控制；所述上层处理器CPU通过通讯端口与顶层的数据处理系统DPS通信连接，通过内存共享的方式与下层的协处理器CLA进行交互式的数据通信，被配置为采集功率变换系统主拓扑结构的电压、电流值，传输给数据处理系统DPS和下层处理器，并在上位机上显示；同时上位机可以编制充放电流程并将流程中的关键信息通过数据处理系统DPS下发到上层处理器CPU，将充放电流程中规定的电压电流大小作为参考值，传输给下层处理器，实现电池充放电流程的控制。

所述上层处理器CPU还被配置为配置系统参数和逻辑保护，逻辑保护通过数字逻辑器件对底层功率变换系统主拓扑结构产生的过压过流报警信号和相应的启停控制信号进行处理，保证系统的可靠性。

在本实施例中，所述上层处理器CPU包括通信模块、采样模块、参数设置模块和逻辑保护模块。

所述通信模块，被配置为与数据处理系统DPS通信连接，实现CPU与流程控制顶层的数据处理系统DPS之间的数据交换。

采样模块，与功率变换系统主拓扑结构连接，被配置为采集功率变换系统主拓扑结构的电压、电流值，并传输给数据处理系统DPS和下层处理器。该采样模块采用的是A/D采样模块。

参数设置模块，被配置为设置系统参数，系统参数包括充放电电压、电流、步时间和步切换条件。

所述上层处理器CPU还包括PWM模块，所述PWM调制模块包括事件触发子模块，所述事件触发子模块在PWM载波的最小值点时产生触发脉冲，并发送至A/D采样模块。

如图1所示，所述拓扑运行层包括下层处理器CLA，主要负责动力电池测试与模拟仪器的功率变换系统主拓扑结构的正常稳定运行；所述下层处理器CLA被配置为对接收到的电压电流采样值进行滤波，将滤波后的采样值与参考值做差比较，通过PI控制器产生相应的控制信号，采用调制算法对控制信号进行处理，产生调制信号，将调制信号与载波相比较，得到开通关断相互交替的驱动信号，通过驱动信号驱动功率变换系统主拓扑结构开关管的开通与关断，实现功率变换系统主拓扑结构的正常稳定运行。其中，对采样值滤波可采用均值滤波、滑动滤波等算法；调制算法包括产生PWM调制波的数学运算和矢量运算，比如用于AC/DC的空间矢量调制算法、用于DC/DC的载波移相PWM调制算法等，以实现恒定的电压和电流输出为目标。

在本实施例中，所述下层处理器包括滤波模块、闭环控制模块、调制模块和驱动模块。

滤波模块，与上层处理器的采样模块连接，被配置为采用均值滤波算法或滑动滤波算法对接收到的电压电流采样值进行滤波，得到的是更为平滑稳定的采样值，并将滤波后的采样值传输给闭环控制模块。

闭环控制模块，被配置为将滤波后的采样值与参考值做差比较，通过PI控制器产生相应的控制信号，并传输给调制模块。

调制模块，被配置为采用空间矢量调制算法或移相调制算法对控制信号进行处理，产生调制信号信号，并传输给驱动模块；对于AC/DC采用空间矢量调制算法，对于DC/DC采用移相调制算法，空间矢量调制算法或移相调制算法采用现有的方法，在本申请中不再赘述。

驱动模块，与功率变换系统主拓扑结构开关管连接，被配置为产生驱动信号驱动底层功率变换系统主拓扑结构开关管的开通与关断，实现功率变换拓扑的正常稳定运行。

由于CLA的存储结构中没有堆栈，故程序段只能以顺序结构执行，无法定义和调用函数，为了克服这一缺陷，本系统采用结构体与宏定义相结合的方式完成各项控制功能的实现。

例如，在控制AC/DC稳定运行的调制和控制算法中，有一个功能是需要实现三相电网的锁相，其中的CLARK变换等函数功能均需要通过结构体和宏定义来实现。首先需要在相应的.h头文件中定义参与变换的所有变量构成的结构体v，然后对结构体的初始化过程进行宏定义，如CLARKE_CLA_INIT(v)并在CLA的初始化任务TASK8中调用，之后对变换的运算过程进行宏定义，通过执行CLARKE_CLA_MACRO(v)的形式在CLA的TASK7任务中进行调用。以此类推，PI控制器函数、SVPWM调制函数等都可以通过结构体+宏定义的方式在CLA中顺序执行，以此替代函数调用的过程实现某一特定功能的运算步骤。这种方式使得CLA程序段的编程更加简洁、结构紧凑、修改灵活，进一步提高了CLA程序执行的效率。

另外，CLA以开关频率次固定周期中断的形式独立于主CPU运行，既能减轻主CPU的执行压力，提高程序执行的效率，又能将控制效果直接作用于最底层的功率变换系统主拓扑结构，保证其稳定运行，实现电池测试功能输出功率的要求。

图2所示为用于动力电池测试与模拟仪器的基于CPU和CLA的任务分层控制系统任务流程分配图。如图2所示，CPU与CLA分层控制系统的稳定运行建立在两者能够相对独立运行程序的能力，CLA以中断的方式被主CPU调用，主CPU又能同时通过A/D中断、定时器中断等其他中断执行更高层级的控制策略。

CLA中断的周期设置为功率变换系统的控制周期，同时也是功率变换系统主拓扑结构器件的开关周期，CLA负责执行的全部功能程序段都需在每个控制周期的前半段实现。CLA任务中断触发源为A/D采样中断结束时的SOC触发点，而A/D采样中断的触发源为PWM载波的最小值点，即定时-计数模块寄存器为ZRO的时刻。CLA中断触发后执行必要的电压电流采样值滤波、AC/DC调制算法、DC/DC调制算法以及相应的PWM驱动生成过程。其中滤波算法包括均值滤波、滑动滤波等算法；AC/DC调制算法包括锁相环算法、SVPWM调制算法、双闭环控制算法等；DC/DC调制算法包括移相载波调制法与电流环控制算法等；驱动生成过程包括AC/DC、高频隔离DC/DC以及第三级交错DC/DC的PWM占空比计算，并在计数模块寄存器达到PRD时进行赋值重载。

图3为本发明提出的任务分层控制系统中断触发机制的示意图。图中PWM模块用于产生触发脉冲，触发A/D采样模块的中断；PWM模块包括事件触发(Event Trigger)子模块，事件触发(Event Trigger)子模块在CTR＝ZRO脉冲到来时刻产生EPWMxSOCA事件，该事件会触发片上A/D采样模块的SOC转换。PWM模块的相关寄存器的配置如下：

EPwm1Regs.ETSEL.bit.SOCAEN＝1；//①

EPwm1Regs.ETSEL.bit.SOCASEL＝1；//②

EPwm1Regs.ETPS.bit.SOCAPRD＝1；//③

配置①使能ET模块的SOCA脉冲产生功能；配置②是一个选择项，赋值为1即为选择计数模块在CTR＝ZRO时刻，ET模块产生SOCA脉冲；配置③也是一个选择项，赋值为1即选择SOCA脉冲产生的事件频率，即每接收到一个CTR＝ZRO事件，就产生一个SOCA脉冲，启动一次A/D转换。

图3中，A/D采样模块包括A/D采样输入电路、SOC处理控制子模块和中断控制子模块，A/D采样模块接收到PWM模块产生的EPWM1SOCA脉冲，会通过SOC处理控制子模块产生一次A/D转换请求，并通过A/D采样输入电路获得采样值，这种处理方式能够保证采样时刻的精准同步，有利于使采样数据真实可靠，其中，A/D采样输入电路依次连接的采样器、A/D转换器和结果寄存器。在最后一组A/D转换完成时刻，会产生一个EOC信号，该信号会触发产生一个ADCxINT1中断请求，该请求会作为外设中断触发源，触发CLA的TASK7进行一次工作。A/D采样模块的相关寄存器配置如下：

AdcaRegs.ADCSOC0CTL.bit.TRIGSEL＝5；//④

AdcaRegs.ADCINTSEL1N2.bit.INT1SEL＝2；//⑤

AdcaRegs.ADCINTSEL1N2.bit.INT1E＝1；//⑥

AdcaRegs.ADCINTFLGCLR.bit.ADCINT1＝1；//⑦

配置④对A/D转换SOC的触发源进行了选定，赋值为5即为选择PWM1的SOCA为转换的触发源；配置⑤对A/D转换完成后EOC信号的产生条件进行了设定，赋值为2即为选择Adca组的SOC2转换完成后产生INT1中断请求；配置⑥使能该中断；配置⑦为清中断标志位。

图3中CLA模块接收到ADCAINT1外设中断请求，会触发TASK7任务中断的执行，CLA模块的相关寄存器配置如下：

DmaClaSrcSelRegs.CLA1TASKSRCSEL2.bit.TASK7＝1；//⑧

配置⑧是在系统初始化函数中对CLA1的任务TASK7触发源的选择进行设置，赋值为1即为选择ADCAINT1为触发源。

在CLA中断返回后，如图2所示，主处理器CPU循环执行故障诊断、启停控制、逻辑保护、通信和参数配置等流程，包括特殊工况切换如输出单双极性转换等，充当整个电池测试设备的上层控制平台。CPU的参数初始化配置在系统上电后一次完成，包括定时器、A/D采样中断、PWM相关寄存器的配置，以及功能性函数如相序判断相关变量的初始化。其中，故障诊断、保护和启停控制程序可以立即发现系统中发生的过压过流、掉线等异常情况，保证机器安全启动和停机，为整个系统提供硬件保护；参数配置包括测试电压、电流、时间、方式等，例如，在进行斜坡充放电测试功能时，CPU在保证CLA正常工作的前提下，还需要对DPS下发的斜坡起止时刻、斜坡起始和终止电流值，进行斜率和相关参考值的计算，从而控制DC/DC部分输出相应的斜坡电流，完成测试功能。另外，主处理器CPU通过CAN口与更顶层的数据处理系统(DPS)、上位机软件进行通信，与由CLA管理的功率拓扑控制系统共同构成了完整的用于动力电池测试的任务分层处理控制系统。

本申请的另一种典型实施方式，提供了一种用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制方法，该方法包括以下步骤：

在定时-计数模块寄存器为ZRO的时刻，触发上层处理器CPU的A/D采样模块中断，通过A/D采样模块采集功率变换系统主拓扑结构的电压、电流值，传输给数据处理系统DPS和下层处理器CLA，接收数据处理系统DPS下发的充放电流程，将充放电流程中规定的电压电流大小作为参考值，发送至下层处理器CLA。

A/D采样中断结束时采用SOC触发点触发下层处理器CLA中断，通过下层处理器CLA对电压电流采样值进行滤波，将滤波后的采样值与参考值做差比较，通过PI控制器产生相应的调控制信号，采用调制算法对控制信号进行处理，产生调制信号，将调制信号与载波相比较，得到开通关断相互交替的驱动信号，通过驱动信号驱动功率变换系统主拓扑结构开关管的开通与关断，实现功率变换系统主拓扑结构的正常稳定运行。

在下层处理器CLA中断返回后，上层处理器CPU循环执行故障诊断、启停控制、逻辑保护、通信和参数配置等流程，CPU的参数初始化配置在系统上电后一次完成，包括定时器、A/D采样中断、PWM相关寄存器的配置，以及功能性函数如相序判断相关变量的初始化。其中，故障诊断、保护和启停控制程序可以立即发现系统中发生的过压过流、掉线等异常情况，保证机器安全启动和停机，为整个系统提供硬件保护；系统参数配置包括测试电压、电流、时间、方式等。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制系统，其特征在于，所述上层处理器还被配置为配置系统初始化参数和系统参数，对功率变换系统主拓扑结构产生的过压过流报警信号和相应的启停控制信号进行处理。

3.根据权利要求1所述的用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制系统，其特征在于，所述上层处理器包括：

通信模块，被配置为与数据处理系统DPS通信连接；

4.根据权利要求3所述的用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制系统，其特征在于，所述A/D采样模块包括A/D采样输入电路、SOC处理控制子模块和中断控制子模块，所述SOC处理控制子模块用于接收PWM调制模块产生的脉冲，产生一次A/D转换请求，并发送至A/D采样输入电路；所述A/D采样输入电路接收A/D转换请求，获取功率变换系统主拓扑结构的电压、电流值；所述中断控制子模块用于在A/D转换完成后，向下层处理器发送中断请求。

5.根据权利要求4所述的用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制系统，其特征在于，所述A/D采样输入电路包括依次连接的采样器、A/D转换器和结果寄存器，通过采样器采集功率变换系统主拓扑结构的电压、电流信号，经过A/D转换器转换后，存储在结果寄存器中。

6.根据权利要求3所述的用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制系统，其特征在于，所述上层处理器还包括PWM模块，所述PWM调制模块包括事件触发子模块，所述事件触发子模块被配置为在PWM载波的最小值点时产生触发脉冲，并发送至A/D采样模块。

7.根据权利要求1所述的用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制系统，其特征在于，所述下层处理器包括：

8.根据权利要求6所述的用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制系统，其特征在于，所述闭环控制模块和调制模块分别通过结构体和宏定义相结合的方式在下层处理器中顺序执行。

9.采用权利要求1-8中任一项所述的用于动力电池测试与模拟仪器的任务分层控制系统进行任务分层控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：对功率变换系统主拓扑结构产生的过压过流报警信号和相应的启停控制信号进行处理和配置系统初始化参数和系统参数，其中，系统初始化参数包括定时器、A/D采样中断和PWM相关寄存器；系统参数包括充放电电压、电流、步时间和步切换条件。